Osilator kristal menentukan kehidupan dan kematian sirkuit digital

Osilator kristal menentukan kehidupan dan kematian sirkuit digital

Osilator kristal terlihat seperti perangkat kecil yang tidak mencolok di papan, tetapi di sirkuit digital, itu seperti jantung dari seluruh rangkaian. Semua pekerjaan dari sirkuit digital tidak dapat dipisahkan dari jam.Kualitas osilator kristal dan desain sirkuit osilator kristal akan mempengaruhi stabilitas seluruh sistem. Oleh karena itu, mengetahui lebih lanjut tentang osilator kristal dan memilih osilator kristal yang digunakan dalam sistem adalah langkah pertama dalam menentukan keberhasilan atau kegagalan untuk rangkaian digital.

Osilator kristal yang sering kita bicarakan adalah singkatan untuk osilator kristal kuarsa atau resonator kristal kuarsa. Mereka semua dibuat menggunakan efek piezoelektrik kristal kuarsa. Menerapkan medan listrik pada dua elektroda kristal kuarsa akan menyebabkan deformasi mekanis kristal tersebut, sebaliknya jika tekanan mekanis diterapkan ke kedua sisi kristal, medan listrik akan dihasilkan pada kristal tersebut. Terlebih lagi, kedua fenomena ini dapat dibalik. Menggunakan fitur ini, menerapkan tegangan bolak-balik di kedua sisi kristal, wafer akan menghasilkan getaran mekanis dan pada saat yang sama menghasilkan medan listrik bolak-balik. Jenis getaran dan medan listrik ini umumnya sangat kecil, tetapi pada frekuensi tertentu, amplitudo akan meningkat secara signifikan, ini adalah resonansi piezoelektrik, yang agak mirip dengan resonansi tangki LC umum.

Gambar berikut adalah diagram kurva ekivalen listrik dan frekuensi karakteristik reaktansi dari osilator kristal:

Dapat dilihat dari gambar bahwa ketika resonansi seri terjadi di cabang LCR ini, frekuensi resonansi seri adalah fs, dan rumus perhitungannya sama dengan resonansi seri biasa:

Ketika frekuensi terus meningkat dan lebih tinggi dari fs, cabang LCR induktif, sehingga resonansi paralel terjadi dengan C0, frekuensi resonansi paralel fp, rumus perhitungannya adalah:

Di antara mereka, karena karakteristik osilator kristal, C jauh lebih kecil dari C0, sehingga nilai fp dan fs sangat dekat. Hal ini dapat dilihat dari grafik karakteristik frekuensi reaktansi bahwa dalam rentang frekuensi sempit ini, osilator kristal secara keseluruhan bersifat induktif, sehingga hanya kapasitor yang sesuai yang perlu dihubungkan secara paralel di luar osilator kristal untuk membentuk sirkuit resonansi paralel. Kemudian tambahkan rangkaian resonansi paralel ini ke sirkuit umpan balik negatif untuk membentuk sirkuit osilasi gelombang sinus. Kapasitansi yang sesuai ini adalah kapasitansi beban osilator kristal.

Gambar di atas adalah rangkaian osilator kristal umum. Osilator kristal dan C1 dan C2 membentuk rangkaian resonansi paralel, yang terhubung ke pin chip. Penguat pembalik dan Rf di dalam chip membentuk loop umpan balik negatif. R1 digunakan untuk membatasi arus yang mengalir ke osilator kristal. Beberapa chip akan mengintegrasikan Rf dan R1 ke dalam perangkat, sehingga mengurangi kesulitan desain sirkuit. , Dan untuk memastikan stabilitas sistem. Parameter penting dari osilator kristal adalah kapasitansi beban. Memilih kapasitor yang sama dengan kapasitansi beban secara paralel dapat memastikan bahwa osilator kristal bekerja pada frekuensi terukur. Jika kapasitansi beban osilator kristal adalah 15pf, maka kita dapat memilih 30pf untuk C1 dan C2. Mempertimbangkan pengaruh kapasitansi pin chip dan kapasitansi jejak PCB, nilai ini juga dapat dikurangi secara tepat. 27pf dan 22pf umumnya dapat bekerja secara normal. Dalam hal memenuhi persyaratan seismik, C1 dan C2 dapat dipilih sekecil mungkin, yang dapat mempercepat waktu respons seismik osilator kristal. Perlu dicatat bahwa beberapa pabrikan osilator kristal akan secara langsung memberikan nilai yang direkomendasikan dari C1 dan C2 alih-alih memberikan kapasitansi beban, jadi dalam penggunaan sebenarnya, masih perlu untuk mengkonfirmasi dengan pabrikan sesuai dengan model spesifik yang digunakan.

Selain efek piezoelektrik, osilator kristal memiliki karakteristik lain yang tidak dapat diabaikan, yaitu penyimpangan suhu. Frekuensi osilasi osilator kristal akan sedikit bergeser dengan perubahan suhu sekitar, yang merupakan karakteristik inheren osilator kristal. Justru karena suhu melayang bahwa akurasi osilator kristal biasa sulit dicapai sangat tinggi.Akurasi osilator kristal umum sebagian besar 40ppm, 20ppm, dan sulit untuk mencapai di bawah 10ppm. Jenis presisi ini dapat sepenuhnya memenuhi permintaan dalam beberapa kesempatan yang tidak memerlukan presisi kristal tinggi, seperti input jam dari mikroprosesor. Namun, dalam aplikasi seperti komunikasi nirkabel, aplikasi seluler, dan radio dan televisi, yang membutuhkan sinkronisasi jam yang tepat, sulit bagi osilator kristal biasa untuk memenuhi persyaratan sistem. Untuk mengatasi pengaruh pergeseran suhu, sistem harus memilih kristal kompensasi suhu presisi tinggi atau kristal suhu konstan. Osilator kristal kompensasi suhu mengontrol frekuensi output osilator kristal dengan merasakan suhu sekitar dan kemudian mengubah informasi suhu menjadi kuantitas kontrol. Osilator kristal kompensasi suhu saat ini kebanyakan menggunakan teknologi digital untuk mencapai kontrol yang lebih tepat. Osilator kristal suhu konstan melangkah lebih jauh. Kristal ditempatkan dalam suhu konstan, dan suhu konstan diatur untuk mempertahankan keadaan suhu konstan. Kristal tidak dapat dipengaruhi oleh suhu eksternal dalam suhu konstan, yang sangat meningkatkan stabilitas frekuensi output osilator kristal. gelar. Akurasi output osilator kristal suhu kompensasi dan osilator kristal suhu konstan dapat mencapai 1 ppm atau bahkan lebih tinggi. Itu dapat memenuhi persyaratan sistem yang ketat.

Karena pentingnya osilator kristal di sirkuit digital, kita perlu berhati-hati saat menggunakan dan mendesain:

Ada kristal kuarsa di dalam osilator kristal, sehingga mudah menyebabkan kristal kuarsa pecah dan pecah dan menyebabkan osilator kristal gagal saat terkena benturan atau jatuh. Saat mendesain, penting untuk mempertimbangkan pemasangan osilator kristal dan lokasi sejauh mungkin agar tidak berada dekat dengan tepi papan, kotak peralatan, dll.

Memperhatikan suhu pengelasan saat pengelasan dengan tangan atau mesin Osilator kristal sensitif terhadap suhu. Suhu tidak boleh terlalu tinggi selama pengelasan dan waktu pemanasan harus sesingkat mungkin.

Ketika merancang, mempersingkat jejak osilator kristal sebanyak mungkin.Jaga jarak antara jejak osilator kristal dan garis sinyal lainnya sejauh mungkin, dan dianjurkan untuk membumikan kasus osilator kristal.Tindakan ini dapat lebih baik menghindari gangguan.

d Pilih nilai kapasitansi C1 dan C2 dengan cermat. Coba desain sesuai dengan nilai yang direkomendasikan yang diberikan oleh pabrikan. Pada premis untuk memenuhi persyaratan seismik, nilai C1 dan C2 dapat sekecil mungkin, yang dapat mempersingkat waktu mulai osilator kristal.

e.Perhatikan apakah osilator kristal overdrive. Overdrive akan memengaruhi masa pakai osilator kristal. Jika Anda menggunakan osiloskop untuk menguji bahwa output osilator kristal terpotong, dan puncak dan lembah diratakan, maka Anda harus mempertimbangkan apakah osilator kristal kelebihan daya. Resistansi resistor pembatas arus R1 dapat diatur dengan tepat. Sampai gelombang sinus lengkap adalah output.